Ejercicios: Robótica: estructura y movimientos

Explica con tus palabras qué es un robot y qué tres capacidades lo definen (moverse mecánicamente, ser programable y actuar sobre su entorno). Razona por qué un brazo robotico industrial es un robot pero una cinta transportadora fija, aunque se mueva, no lo es.

Explica qué es un grado de libertad (GDL) de un robot: cada movimiento independiente que puede hacer una articulación. Pon dos ejemplos: una puerta con bisagras (un solo GDL) y tu propio brazo, que tiene muchos, y razona por qué más GDL significan más posturas posibles.

Las articulaciones de un robot pueden ser de rotación (giran, como un codo) o lineales, también llamadas prismáticas (se estiran, como un cajón). Explica la diferencia y pon un ejemplo cotidiano de cada tipo de movimiento.

Explica qué es el efector final de un robot (la «herramienta» que lleva en la muñeca y que realiza la tarea) y nombra tres efectores distintos con la tarea que realiza cada uno: pinza, ventosa y antorcha de soldar.

Los sensores de un robot pueden ser propioceptivos (informan del propio robot) o exteroceptivos (informan del entorno). Clasifica estos sensores: (a) el encoder que mide el ángulo de una articulación, (b) una cámara, (c) un sensor de contacto en la pinza y (d) el giroscopio que mide la inclinación del chasis.

Relaciona cada descripción con su tipo de robot: (1) brazo fijo al suelo que suelda carrocerías, (2) máquina con ruedas que transporta cajas por un almacén y (3) brazo ligero que trabaja junto a personas sin valla de seguridad, con: (a) robot móvil, (b) robot colaborativo y (c) robot manipulador industrial.

Entre el motor y la articulación de un robot casi siempre hay una reductora. Explica por qué: los motores eléctricos giran muy rápido con poco par, y las articulaciones necesitan justo lo contrario (poca velocidad y mucho par), y la reductora hace esa conversión.

Un robot colaborativo puede compartir mesa de trabajo con una persona. Explica qué dos medidas de seguridad lo hacen posible (limitar su fuerza y velocidad, y detenerse al detectar un contacto inesperado) y por qué un robot industrial convencional necesita, en cambio, una jaula o valla.

Un brazo robot tiene una base que gira sobre sí misma, una articulación en el «hombro», otra en el «codo» y una muñeca que rota. (a) Cuenta sus grados de libertad. (b) Explica qué movimiento aporta cada articulación a la posición y orientación del efector final. (c) Razona por qué no podría orientar la pinza en cualquier dirección sin la muñeca rotatoria.

La figura muestra un brazo articulado con sus articulaciones rotuladas y una marcada con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica la articulación marcada con la interrogación y explica qué movimiento aporta al brazo. (b) Cuenta los grados de libertad del brazo completo suponiendo que la base también gira. (c) Describe qué articulaciones deben moverse para que la pinza baje sin alejarse ni acercarse a la base.

La articulación de un robot la mueve un motor de $3000\ \text{rpm}$ a través de una reductora de relación $50:1$. (a) Calcula la velocidad de giro de la articulación. (b) Si el motor da un par de $0{,}2\ \text{N} \cdot \text{m}$, calcula el par ideal a la salida de la reductora y el real con un rendimiento del $80\ \%$. (c) Explica qué se ha ganado y qué se ha perdido al intercalar la reductora.

Elige el efector final más adecuado para cada tarea y justifícalo: (a) mover chapas de acero planas y limpias (ventosa o electroimán); (b) unir piezas con cordones de soldadura (antorcha); (c) coger cajas de tamaños variados (pinza de dedos ajustables); (d) pintar carrocerías (pistola de pintura).

El encoder de una articulación da $360$ pulsos por cada vuelta completa. (a) Calcula cuántos grados corresponden a cada pulso. (b) Calcula el ángulo girado si se han contado $180$ pulsos desde la referencia. (c) Explica por qué el robot necesita una «referencia» o posición cero conocida para que los pulsos signifiquen un ángulo absoluto.

Los robots móviles se desplazan con ruedas, orugas o patas. Elige y justifica la solución más adecuada para: (a) un almacén con suelo liso (ruedas); (b) un terreno accidentado con barro tras un desastre (orugas); (c) subir escaleras o terrenos muy irregulares (patas). Razona qué se pierde en cada caso (velocidad, estabilidad, complejidad de control).

La figura muestra, en vista de planta, el espacio de trabajo de un brazo robot fijado en el centro, con una zona señalada con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Explica qué representa la corona circular comprendida entre los dos círculos, señalada con la interrogación. (b) Explica por qué existe una zona muerta interior que el efector no puede alcanzar (con el brazo plegado, el efector no llega a puntos pegados a la base). (c) Razona dónde conviene colocar las piezas que el robot debe coger: muy cerca, en la zona media o en el borde exterior.

Para cada tarea de un robot móvil, elige el sensor adecuado y justifícalo: (a) seguir una línea pintada en el suelo (sensores ópticos de reflexión); (b) no chocar con personas ni estanterías (ultrasonidos o láser de distancia); (c) coger un objeto sin aplastarlo (sensor de presión en la pinza). Indica en cada caso si es propioceptivo o exteroceptivo.

Una fábrica quiere automatizar el paletizado: coger cajas de una cinta y apilarlas en un palet. Diseña el robot: (a) cuántos grados de libertad necesita como mínimo y qué movimiento aporta cada uno; (b) qué efector final elegirías para cajas de cartón de tamaño variable; (c) qué sensores hacen falta para saber cuándo llega una caja y para colocarla sin golpear la pila.

El brazo horizontal de un robot mide $0{,}5\ \text{m}$ y sostiene una carga de $2\ \text{kg}$ en su extremo. (a) Calcula el par que debe resistir la articulación del hombro debido a la carga, $\tau = m \cdot g \cdot d$, con $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$. (b) Razona qué ocurre con ese par cuando el brazo se pliega (la carga se acerca al eje de la articulación) y por qué la posición horizontal es la más desfavorable. (c) Explica qué dos datos del motor y la reductora comprobarías para saber si la articulación puede con esa carga.

La figura muestra la cadena de control de un robot, con un bloque marcado con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica el bloque marcado con la interrogación (donde se ejecuta el programa que decide las órdenes) y explica su función. (b) Explica el recorrido completo de la información por la cadena, desde que el robot necesita moverse hasta que el encoder confirma la posición. (c) Razona por qué se trata de un sistema de lazo cerrado y qué ocurriría si se rompiera la realimentación.

Un robot deja cada pieza con una precisión de $\pm 2\ \text{mm}$ respecto al punto ideal, pero repite el mismo error de forma casi idéntica, con una repetibilidad de $\pm 0{,}1\ \text{mm}$. (a) Explica la diferencia entre precisión (acercarse al punto teórico) y repetibilidad (volver siempre al mismo punto, aunque no sea el teórico), usando el símil de los impactos en una diana. (b) Razona por qué en una cadena de montaje, donde las piezas llegan siempre igual, la repetibilidad puede importar más que la precisión absoluta.

Una celda con robot industrial tras una valla y una mesa con robot colaborativo sin valla son dos enfoques de seguridad distintos. Compara ambos valorando: (a) en qué se basa la seguridad de cada uno (separar físicamente frente a limitar fuerza y parar al contacto); (b) productividad y espacio ocupado; (c) tipos de tarea para los que cada enfoque es razonable; (d) qué ocurre en cada caso si falla un sensor.

Un brazo plano tiene dos segmentos de $30\ \text{cm}$ cada uno, unidos por el codo. (a) Calcula su alcance máximo (brazo completamente estirado) y razona cuál es el alcance mínimo. (b) Explica qué forma tiene su zona de trabajo en el plano. (c) Con el brazo totalmente estirado, la articulación del codo no puede empujar el efector más lejos: explica por qué esas posturas límite (singularidades) complican el control del robot.

Un almacén usa robots móviles (AGV) que transportan estanterías hasta las personas que preparan los pedidos. Analiza el sistema: (a) qué sensores necesita cada robot para navegar sin chocar y para seguir su ruta; (b) qué ventajas aporta frente a personas empujando carros (recorridos optimizados, trabajo continuo, menos errores); (c) qué dependencias crea (red de comunicaciones, mantenimiento, qué pasa si se avería la flota en plena campaña).

Una impresora 3D y un brazo robot industrial son máquinas de ejes programables que mueven un efector (el cabezal de impresión, la pinza). Compara ambas: (a) grados de libertad y tipo de movimiento de cada eje; (b) efector y tarea; (c) cómo reciben el programa (un fichero de trayectorias en ambos casos); (d) razona, a partir de la definición de robot, si considerarías la impresora 3D un robot o no, defendiendo tu postura.